ATM

1. ATM PARTE 1: CONCEPTOS GENERALES POR: JUAN CARLOS RESTREPO E-mail: juanrest@diginet.com.co Tel.: 5140532 VERSION: 2.7 Ultima revisión: Julio 2003. Medellín-Colombia

2. RESEÑA HISTORICA • Se origina en la CCITT, hoy la ITU-T, como base de los servicios de B-ISDN o RDSI Banda Ancha (1.988). • El principal ente encargado actualmente de su normatización en el ámbito de la computación es el ATM FORUM. • En el entorno de grandes carriers de telefonía es la ITU-T.

3. CONCEPTOS GENERALES • ATM: Asynchronous Transfer Mode. • Es una tecnología de conmutación de celdas (cell relay) orientada a conexión: circuitos virtuales. • Utiliza unidades de transferencia de longitud fija (celda) de 53 bytes. • El circuito virtual se conoce oficialmente como Virtual Channel (VC) y opera bajo esquemas de PVC (el más utilizado) o SVC. • Transferencias a altas velocidades: 25 Mbps, 155Mbps, 622 Mbps, 2.4 Gbps, 4.8 Gbps. • Se basa en la utilización de suiches de gran desempeño.

4. CONCEPTOS GENERALES • Retardo bajo y predecible. • Garantiza ancho de banda. • Garantiza orden de entrega. • Soporta aplicativos sensibles y no sensibles a los retardos: voz,video,datos, etc. • Soporta unicast y multicast. • Detecta errores pero no los recupera. • Cubre tanto la LAN como la WAN. • Define una interface para el usuario (UNI) y una entre suiches (NNI).

5. DTE C DTE A ATM SUICHE SUICHE SUICHE DTE B ESQUEMA GENERAL Circuito virtual UNI NNI

6. CONCEPTOS GENERALES • Qué se esperaba de ATM? • Que fuera la tecnología predominante en la LAN y la WAN. • Que ocurrió? • De la LAN fue desterrada por Ethernet y TCP/IP. • Actualmente está en el core del carrier. • Que se espera que pase?

7. BACKBONE DE CARRIER TRADICIONAL LAN CLIENTE LAN CLIENTE Centrales Telefónicas FR AAL5 CELDAS FR Router ATM Router Servicios de usuario Frame Relay X.25. SONET/SDH ATM Centrales Telefonicas Datos: Frame Relay ATM Centrales Telefónicas

8. BACKBONE DE CARRIER TRADICIONAL LAN CLIENTE LAN CLIENTE Centrales Telefónicas FR Router SONET/SDH ATM Router Servicios de usuario Frame Relay X.25. ATM Centrales Telefonicas Datos: Frame Relay ATM Centrales Telefónicas

9. ATM ATM SUICHE SUICHE SUICHE ESCENARIO DE ATM EN EL CONTEXTO GENERAL DTE2 DTE1 FRAME RELAY U OTROS SERVICIOS DTE3

10. OSI APLICACION PRESENTACION SESION TRANSPORTE RED ENLACE FISICO MODELO OSI VS. ATM ATM CS AAL SAR ATM TC FISICO PM

11. ARQUITECTURA DE ATM CS Convergence AAL SAR Segmentation and reassembly Generic Flow Control Cell header generation/extraction ATM Cell VPI/VCI translation Cell rate decoupling HEC header sequence generation/verification TC Cell delineation Transmission frame adaptation PHY Transmission frame generation/recovery Bit timing PM Physical medium

12. NIVEL FISICO Se divide en dos subniveles asi: • TC (Transmision Convergence). • Tiene funciones de nivel 2 de OSI. • Recibe el chorro de bits del PMD y extrae la celda. • Genera y verifica el HEC. • PMD (Physical Medium Dependence). • Recibe o envía el chorro (stream de bytes) desde o hacia el medio óptico o eléctrico. • Codifica para la transmisión: 4B/5B, 8B/10B, etc. • Maneja la temporización y la sincronización. • Se utiliza mucho SONET/SDH.

13. ITU-T SDH • STM-1 (155 Mbps) • STM-4 (622 Mbps) • STM-16 (2.5 Gbps) • ANSI/Bellcore SONET • OC-3c (155 Mbps) • OC-12c (622 Mbps) • OC-48c (2.5 Gbps) • ATM25 Consortium (led by IBM) • UTP Cat3 (25 Mbps) • ATM Forum • SONET • SDH • UTP Cat5 • E-3 (34 Mbps) • DS-3 (45 Mbps) • E-1 (2.048 Mbps) • DS-1 (1.544 Mbps) ESTANDARES EN EL NIVEL FISICO

14. ESQUEMA CON SONET • Synchronous Optical NETwork. • Desarrollado por Bellcore (AT&T). • CCITT generó recomendaciones similares llamadas SDH (Synchronous Digital Hierarchy). • Define: • Señalizacion fisica, longitudes de onda, tramado, etc. • Unifica normas Americana y Europea basadas en PCM. • Define como multiplexar PCM (Agregados). • Provee OAM (Operation, Administration and Maintenance). • Sistema sincrónico con reloj maestro.

15. ESQUEMA CON SONET • Usa tramas de 810 bytes inyectados cada 125 microsegundos para un canal base STS-1 de 51.84 Mbps. • La trama se puede modelar como 9 filas de 90 bytes: 3 columnas de encabezado, 87 columnas contenido. • Utiliza un apuntador para indicar donde va el contenido (en ATM celdas) dentro de la trama.

16. FRAME SONET/SDH

17. ESTRUCTURA DE LA CELDA UNI 8 7 6 5 4 3 2 1 • GFC VPI • VPI VCI • VCI • VCI PTI CLP • HEC Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Header 48 Bytes Payload VPI: Virtual Path Identifier CLP: Cell Loss Priority VCI: Virtual Channel Identifier HEC: Header Error Check PTI: Payload Type Indicator GFC: Generic Flow Control

18. ESTRUCTURA DE LA CELDA NNI 8 7 6 5 4 3 2 1 • VPI • VPI VCI • VCI • VCI PTI CLP • HEC Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte 5 Header 48 Bytes Payload VPI: Virtual Path Identifier CLP: Cell Loss Priority VCI: Virtual Channel Identifier HEC: Header Error Check PTI: Payload Type Indicator GFC: Generic Flow Control

19. ESTRUCTURA DE LA CELDA • GFC: No es claro su uso. Lo reescribe el primer suiche. No tiene significado end-to-end. • VPI/VCI: Identifican el circuito virtual. • VCI=0 a VCI=15 reservado por la ITU-T. • VCI=16 a VCI=31 reservado por el ATM Forum. • Lo anterior en todos los VPI. • VCI=0 y VPI=0 es una celda vacía. • PTI: Tipo de contenido de la celda. Ej: • 000: Celda de datos, no congestion, tipo 0. • 011: Celda de datos, congestión, tipo 1 (ultima celda AAL5). • 100: Información de mantenimiento entre suiches adj. • Congestión la indica la red, el tipo de celda el usuario.

20. ESTRUCTURA DE LA CELDA • CLP: Cuando está en 1 se descarta la celda ante congestión. Lo coloca AAL. • HEC: Solo chequea el encabezado. Si errores se descarta la celda. Corrige errores de 1 bit. • PAYLOAD: Lleva el contenido, que es la unidad de transferencia de AAL. • Por que 53 bytes?. Evitar esperas grandes. Tamaño óptimo para la voz. (US=64 e Europeos=32) • La estructura de la celda es la misma en la red pero no necesariamente al interior del suiche.

21. NIVEL ATM • Sus funciones varían dependiendo de si es un CPE (Customer Premises Equipment) o un SUICHE. EN EL CPE. • Encapsula los SDU de AAL en celdas y se lo pasa al nivel físico generando el header. • Mantenimiento de las QoS (Quality of Service) negociados: loss rate, acceptable delay, peak and average data rates, etc. • Traffic shaping para no sobrepasar lo acordado.

22. NIVEL ATM EN EL SUICHE. • Se encarga del suicheo de las celdas de acuerdo al VPI/VCI. • Traducción del VPI/VCI. • Duplicar celdas en multicasting. • Activa el bit de PTI de notificación de congestión. • Garantizar orden de entrega. • Apartar recursos como bufferrs control de congestión. • Contención cuando varias celdas van para el mismo puerto. • Trafic policing para vigilar lo inyectado por los CPE.

23. ATM Layer ATM Layer Physical Layer Physical Layer NIVEL ATM CPE CPE Higher Layer Applications Higher Layer Applications IP IP RFC 1577 RFC 1577 SUICHES RFC 1483 RFC 1483 AAL 5 AAL 5 ATM Layer ATM Layer Physical Layer Physical Layer

24. CIRCUITO VIRTUAL • Establecer el circuito virtual es definir el camino que seguirán las celdas. • Se pueden tener PVC y SVC. • Se identifican a través de la combinación VPI/VCI. • Se soporta multicasting con el mensaje ADD PARTY. • El multicast es en árbol: de raíz a hoja o de hoja a raíz. NO de hoja a hoja.

25. VPI/VCI • Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier.

26. PVC • Permanent Virtual Circuit. • Es el esquema más utilizado en redes ATM y Frame Relay. • Se configuran manualmente. • Simplifica el DTE al no requerir UNI. • Se identifica a través del VPI/VCI.

27. SVC • Switched Virtual Circuit. • El DTE a través del protocolo de señalización definido en UNI establece la llamada. • Requiere la capacidad de señalización por parte del DTE. • Utiliza la norma ITU Q.2931 (Compleja). • A través de VPI=0 y VCI=5 solicita un circuito para señalización. • Luego a través del nuevo circuito se manejan las llamadas.

28. SVC • Se utilizan mensajes: SETUP, CALL PROCEEDING, CONNECT, CONNECT ACK, RELEASE, RELEASE COMPLETE. • En el establecimiento de la llamada se requiere identificar el destino: 3 tipos de direcciones. • Las direcciones públicas las define la ITU-T (E-164). • Las direcciones privadas las define el ATM FORUM, para IP, OSI, etc.

31. DIRECCIONAMIENTO ATM

33. DIRECCIONAMIENTO ATM En las redes públicas se recomienda E-164. En las redes privadas se recomienda DCC. Ejemplo DCC: 0.1.2.3.4.5.6.7.8.9.a.b.c.d.e.f.10.11.12.13 NSAP Address: DSP DCC DFI AA Rsvd DCC AFI RD Area ESI Sel 39 DCC DFI AA Rsvd AFI RD Area ESI Sel ICD 47 E-164 E.164 Rsvd AFI RD Area ESI Sel 45 IDI DSP

34. VPI/VCI EN ATM ATM SUICHE 3 SUICHE 1 SUICHE 2 MEDELLIN BOGOTA Circuito virtual VPI/VCI=2/200 2/300 ROUTER B A B VPI/VCI=1/100 A C C 1/300 A C B 1/400 CALI

35. PTO ENTRADA PTO ENTRADA VPI/VCI ENTRADA VPI/VCI ENTRADA PTO SALIDA PTO SALIDA VPI/VCI SALIDA VPI/VCI SALIDA A 1/100 C 1/300 A 1/300 C 1/400 No se especifica un protocolo de enrutamiento en particular al establecer el circuito (ruta). Para el proceso de conmutación es suficiente el VPI. SUICHEO SUICHE 1 SUICHE 3

36. UNI Y NNI • UNI: User Network Interface. • Especificación para la conversación DTE, Suiche. • Mediante UNI el DTE establece la llamada SVC. • Versiones de UNI: 3.0 y 3.1 incompatibles. 4.X. • UNI 3.0: Señalización subset de ITU Q.93b. Enlace Q.2100 • UNI 3.1: Señalización Q.2931. Enlace SSCOP. • NNI: Network to Network Interface. • Especificación para la conexión entre suiches ATM. • NNI-ISSI: Conexión en un entorno local. • NNI-ICI: Interface entre carriers. • PNNI: Para una red privada.

37. ATM ADAPTATION LAYER-AAL • Mecanismo a través del cual los niveles superiores (Aplicativos u otros protocolos) accesan ATM. • Convierte los mensajes de la capa superior en celdas. • Para los suiches ATM, es indiferente que AAL se está utilizando.

38. AAL (ATM ADAPTATION LAYER) • Para brindar los servicios a las capas de nivel superior: aplicaciones u otros protocolos. • Se divide en: • CS (Convergence Sublayer): recibe mensajes o streams del nivel superior y opcionalmente le agrega encabezado y/o trailer para luego pasarlo al SAR. • SAR (Segmentation and Reassembly): Entrega los payloads a la capa ATM después de agregar sus encabezados.

39. AAL (ATM ADAPTATION LAYER) APLICACION CS SAR CELDAS ATM

40. VISION GENERAL ATM AAL Class A (voice) Class C (data) Class D (data) Class B (video) Timing between src and dst Required Not Required Bit rate Variable Constant Connectionmode Connectionless Connection-oriented AAL Types 1 2 3/4, 5 3/4

41. CATEGORIAS DE SERVICIO Creadas para que los fabricantes especifiquen que servicios cubrirán sus equipos. • CBR: Contant Bit Rate. (Clase A) • Para simular un par de hilos de cobre. • No control de flujo, congestion o errores. • VBR: Variable Bit Rate. (Clase B). • Real Time (RT-VBR). Ej: MPEG. • Non Real Time (NRT-VBR) Ej: email multimedia. • Se ignoran errores.

42. CATEGORIAS DE SERVICIO • ABR: Available Bit Rate. • Una porción fija y la otra variable (bursting). • Se notifica a la fuente de la congestión. • UBR: Unspecified Bit Rate. • No se garantiza nada.

43. Q o S (Quality of Service) • Parámetros para la negociación de la calidad de servicio en la comunicación. • PCR: Peak Cell Rate. Máximo que usuario mandara. • SCR: Sustained Cell Rate. Promedio esperado. • MCR: Minimum Cell Rate. Mínimo aceptable. • CDVT: Cell Rate Variation Tolerance. • CLR: Cell Loss Ratio. Celdas no entregadas. • CTD: Cell Transfer Delay. Tiempo promedio de entrega. • CDV: Cell Delay Variation. Uniformidad de entrega. • CER: Cell Error Rate. Porción con errores. • Si al intentar crear el circuito se impacta los ya existentes se rechaza su creación.

44. 47 BYTES PAYLOAD 46 BYTES PAYLOAD 0 1 SN SN SNP X SNP X AAL1 (ATM ADAPTATION LAYER 1) • Para transferir tráfico en tiempo real a tasa constante. • Se inyecta un bit stream y sale un bit stream. • Se notifica la pérdida de las celdas pero no se recuperan. • Define PDU a nivel de SAR. • Ejemplo: video no comprimido. • Celdas tipo P cuando se requiere preservar limite del mensaje. SN=Secuencia. SNP=checksum sobre secuencia. X=Paridad par sobre byte. • Payload de la celda: 1 3 3 1 P Pointer

45. AAL2 (ATM ADAPTATION LAYER 2) • Para tráfico en tiempo real a una tasa variable. • Preserva los límites de los mensajes. • Ejemplo: video comprimido. • Define formato a nivel de SAR. • Al final del proceso de estandarización se dieron cuenta que tenía muchos problemas así que no definieron los tamaños de los campos para que no se pudiera usar. • IT=information type. LI=Length indicator. 1 byte 2 bytes SN 45 BYTES PAYLOAD LI CRC IT

46. AAL3/4 (ATM ADAPTATION LAYER 3/4) • Para transporte de datos no sensibles a los retardos. • Deribado de SMDS. • Puede operar en modo mensaje o stream. • Puede ser en modo confiable o no confiable. • Permite multiplexar el circuito para varias aplicaciones. • Define formato a nivel de CS y SAR. • Problema: CRC de 10 bits.

47. AAL5 (ATM ADAPTATION LAYER 5) • Desarrollado por el ATM Forum en respuesta al problema de CRC corto de AAL3/4. • Originalmente llamado SEAL (Simple Efficient Adaptation Layer). • Ofrece: • Entrega confiable con control de flujo. • Entrega no confiable con opciones para pasar o no mensajes con CRC malo. • Unicast o multicast (de raíz hacia las hojas). • Define PDU a nivel de CS. • SAR solamente divide el mensaje. No agrega Header.

48. AAL5 (ATM ADAPTATION LAYER 5) • Actualmente los campos UU y CPI no se usan pero deben estar asi: UU=cualquier valor, CPI=0. • Los 8 bytes del final de la unidad de CS están al final de la última celda. • La última celda de cada unidad CS, se identifica por el bit de orden inferior del PTI. • Para identificar que protocolo superior lleva AAL5 hay dos opciones: • Protocolo por circuito. • Encapsulacion LLC/SNAP: Permite PPP, Ethernet, IP, etc sobre AAL5. 1B 1B 2B 4B UU CPI Length CRC PAYLOAD (1-65535)

49. SSCOP • Service Specific Connection-Oriented Protocol. • Protocolo de nivel de enlace para la entrega confiable de paquetes de señalización: detecta errores, hace retransmisión selectiva, entrega en orden. • Basado en: Q.2100, Q.2110 y Q.2130. • No disponible para tráfico del usuario.

50. ESTADO ACTUAL Y FUTURO DE ATM • Se esperaba que fuera la tecnología predominante en la LAN y la WAN, pero por sus ineficiencias y complejidad con el manejo de los datos hoy se encuentra en el core del proveedor. • Con la imposición de TCP/IP, las mejoras en QoS sobre esta tecnología, incremento en ancho de banda, VoIP, etc. es de esperar que a futuro ATM desaparezca y el core sea IP puro.